CONTROLE DO RUÍDO EM MOTORES DE INDUÇÃO

A magnitude relativa do ruído de um motor depende do seu tipo, grau de proteção, método de resfriamento e do número de pólos. Em um caso individual ou até mesmo em vários casos genéricos, a magnitude relativa e freqüência de cada fonte de ruído de um motor precisa ser estabelecida para avaliar a atenuação potencial.

Glew [20], apresentou em seu trabalho ensaios experimentais comparativos do nível de ruído em motores de indução sem e com sistemas de atuação do ruído para motores abertos e fechados, comprovando a eficiência da redução do ruído utilizando silenciadores.

Nau [22], apresentaram o efeito do nível de ruído de um motor de indução acionado por inversor de freqüência. Para freqüências menores que 700 Hz o aumento do ruído está entre 7 a 15 dB(A) e para freqüências entre 700 Hz e 16 kHz, está entre 2 a 7 dB(A).

Hansen [29], fez um estudo sobre a engenharia de controle do ruído, onde cita as principais técnicas para se fazer a redução do ruído, tais como: utilização de silenciadores revestidos com materiais fono-absorvedores e redução do ruído originado pela vibração de grandes estruturas. Mostra várias configurações de silenciadores e distribuição de células absorvedoras para atenuar ruído de alta freqüência, baixa freqüência ou ambos.

Gerges [31], publicou um estudo identificando as fontes de ruído em equipamentos industriais e seus mecanismos de geração. Fontes de ruído como: motores elétricos, superfícies vibrantes e ventiladores serão abordados neste capítulo.

Nau [19], apresentou um estudo sobre análise teórica e experimental sobre as causas do aumento do ruído acústico de origem magnética em motores de indução trifásicos devido à excentricidade. O ruído acústico de origem magnética aumenta significativamente em motores com grandes excentricidades, ou seja, acima de 30%. Acima desta excentricidade, o ruído aumenta mais do que 4 dB(A).

Lopes [30], em seu estudo sobre o uso de materiais porosos em filtros acústicos, analisa a propagação sonora no interior do material poroso e identifica quais os parâmetros dominantes e quais componetes do filtro devem receber estes materais para atenuar com eficácia o ruído gerado numa respectiva faixa de freqüência.

Smeaton [32], apresentou a Tabela 5.3, relacionando as principais fontes de ruído do motor de indução com suas causas e possíveis formas de controle.

Tabela 5.3 – Fontes de ruído e controle em motor de indução [32].

Fonte do

Ruído Causa causando o ruído Componente Formas de controle do ruído

Mecânica Impacto Mancal de

deslizamento

Corrigir folga axial do eixo, reduzir folga entre eixo e casquilho, modificar ranhuras de óleo.

Rolamento Reduzir folga radial, pela pré-carga, reduzir tolerâncias do eixo e tampa; a freqüência natural da tampa não pode ser a mesma da freqüência do rolamento. Porta-escovas e

escovas

Apertar o porta-escovas, alterar a freqüência natural, polir anel coletor Chapas soltas Melhorar a fixação das chapas Atrito (Fricção) Mancal de

deslizamento

Aumentar folga, aumentar viscosidade do óleo,

Rolamento Aumentar pré-carga de pressão, alterar tipo de graxa.

Desbalancea- mento

Rotor Balanceamento mecânico é necessário.

Aerodinâmica Instabilidade Mancais Alterar ranhuras de óleo nos mancais, alterar viscosidade.

Modulação Efeito de sirene Deslocar os canais radiais do rotor axialmente ou fazer tratamento acústico nas superfícies internas.

Pás do ventilador Alterar o número de pás do ventilador, remover obstáculos estacionários do fluxo de ar, ou usar ventilador direcional aerodinâmico.

Turbulência Ventilador Reprojetar o ventilador e caminho do fluxo de ar, adicionar fitros acústicos ou tratamento acústico na passagem da ventilação.

Magnética Radial Entreferro Corrigir excentricidade do rotor ou estator. Variação da direção do campo de força radial Ranhuras do rotor e estator

Ranhuras inclinadas do rotor e estator, usar ranhuras fechadas para o rotor e semi-fechadas para o estator.

Harmônicas de dissimetria devido a altas harmônicas na corrente do estator

Reduzir dissimetria pela melhor projeto do circuito magnético; evitar ressonância da coroa do rotor, especialmente nos modos menores onde a irradiação sonora é maior.

5.4.1 Redução do Ruído Magnético

O ruído magnético é a fonte mais difícil de ser atenuada. Alguns formas de controle do ruído magnético estão descritas a seguir:

a. alterar o desenho da ranhura do estator ou a quantidade de ranhuras do rotor para alcançar uma grande margem de diferença entre a freqüência das forças radiais e a freqüência de ressonância da coroa e dos dentes. Através da mudança do tamanho da ranhura do estator a freqüência ressonante da coroa e dos dentes serão alteradas, enquanto que alterando a quantidade de ranhuras do rotor irá alterar a freqüência da força radial e o modo de vibração. Como regra geral pode-se adotar o seguinte critério para evitar a coincidência com o modo de vibração:

r p N

N1− 2 ≠2 ± , (5.1) onde N1 número de ranhuras do estator;

N2 número de ranhuras do rotor;

2p número de pólos; r módulo de vibração.

b. construir a relação de um grande comprimento de pacote de chapas ou tamanho de carcaça para reduzir a densidade do campo magnético do entreferro. A força aplicada nos dentes da chapa do estator é proporcional ao quadrado da densidade de fluxo.

5.4.2 Controle do Ruído de Origem Mecânica

Balanceamento e limite de vibração

É de grande importância que o rotor de um motor elétrico, por ser um componente dinâmico, seja o mais simétrico possível. Para isso é fundamental obter um alto nível de balanceamento dinâmico. Recomenda-se testar o rotor na mesma velocidade de rotação que o motor irá operar.

Medições de vibração devem ser conduzidas de acordo com norma IEC 60034-14, com a magnitude dos limites de vibração não excedendo o grau B. Em motores com baixo nível de ruído especificado, os níveis de vibração recomendados devem estar abaixo deste nível, grau B.

Radiação do ruído em superfície vibrante

Segundo Gerges, [8] e Hansen.[29], podem ser consideradas as seguintes considerações para atenuação do ruído gerado por vibrações de superfícies:

• atenuar a velocidade de vibração através da aplicação de amortecimento, ou afastamento da freqüência de ressonância. Isto pode ser feito modificando a distribuição da massa ou da rigidez do sistema;

• afastar a freqüência crítica para valor maior, por exemplo, através da diminuição da espessura da chapa;

• usar chapa perfurada ou tela; isto permite o cancelamento das regiões de compressão e rarefação nos dois lados da chapa;

• diminuir o raio ou o perímetro da seção transversal da estrutura; • reduzir das áreas das estruturas vibrantes.

Mancais

Mancais de deslizamento

Como vimos no capítulo anterior, o mancal de deslizamento pode ser considerado como silencioso quando comparado com as outras fontes de ruído de um motor de indução. Portanto, a atenuação do ruído dos mancais de deslizamento não irá interferir significativamente no nível de ruído global de um motor de indução.

Os mancais de deslizamento são ideais para aplicação em motores onde o nível de ruído exigido seja muito baixo.

Para garantir baixos níveis de vibração e ruído, a principal meta está em assegurar adequada lubrificação das superfícies em contato através da lubrificação hidrodinâmica. Isto implica em dimensionar um mancal de tal forma a conseguir-se um equilíbrio adequado entre a pressão no mancal, a viscosidade do lubrificante e as rotações de operação, de tal forma a manter um filme de lubrificação espesso e evitar sua ruptura. Quando as características de operação do eixo são oscilatórias, haverá ruptura do filme lubrificante. Nestes casos, pode-se utilizar lubrificação pressurizada, a fim de se eliminar a excitação alternada de atrito seco/fluido, característica de mancais de deslizamento inadequadamente lubrificados. Para certos tipos de movimento e condições de carga, é possível manter um filme lubrificante adequado por meio de ranhuras nas superfícies do mancal.

Mancais de rolamento

Como vimos no capítulo anterior o ruído gerado pelos mancais de rolamento são inferiores a outras fontes, tal como o ruído magnético e ruído aerodinâmico. Segundo Gerges [8], os meios mais importantes para a redução do ruído gerado por rolamentos são:

a. uso de elementos girantes (rolos, esferas) e das pistas interna e externa com maior precisão e acabamento superficial, quando possível.

b. utilização de uma pré-carga axial para garantir o contato entre os componentes (pista externa, elementos girantes e pista interna), evitando assim folgas internas, movimentos desordenados e vibração entre os componentes. A Figura 5.2 compara o nível de pressão sonora nos rolamentos com o uso da pré-carga axial constante;

Figura 5.2 – Efeito da pré-carga axial no nível de ruído.

c. uso de rolamentos com grande número de elementos girantes, para redução das vibrações causadas pela variação de rigidez cada vez que estes elementos passam na posição da carga;

d. uso de lubrificação adequada e eliminação do efeito de corrosão ou erosão química do material.

5.4.3 Controle do ruído aerodinâmico

Em geral, para reduzir o ruído proveniente do fluxo de ar de refrigeração do motor, podem ser tomadas as seguintes considerações durante a fase de projeto:

• projeto de ventilador com diâmetro menor;

• redução das perdas de cargas internas no motor para reduzir a necessidade de ventilação;

• projeto de tampas dos motores com perdas de carga menores;

• evitar componentes que causam mudanças bruscas na direção do fluxo de ar.

Controle de ruído em ventiladores

Sistemas de movimentação de ar (ventiladores e exaustores) devem funcionar perto do ponto de eficiência máxima. A curva de desempenho do ventilador ou exaustor é determinada de acordo com o procedimento normalizado, por exemplo, como a especificação da Air

Movement and Control Association (ACM) dos EUA.

A seleção dos parâmetros de funcionamento: velocidade, tipo de ventilador, diâmetro, etc, para obter a eficiência máxima, significa também alcançar baixo nível de ruído, além de economia de energia

O funcionamento de um ventilador (no ponto a) fora do ponto de eficiência máxima (ponto b) é dado pelas seguintes equações (Lei de Som para Rotores):

            = b a b a b a N N d d Q Q . , (5.2) 2 2 . _            = b a b a b a N N d d PT PT , (5.3) 3 5 . _            = b a b a b a N N d d W W , (5.4)       +       + = b a b a b a N N d d NWS NWS 70log 50log , (5.5)

onde Q é a vazão do fluxo de ar;

PT é a pressão total; W é a potência;

NWS é o nível de pressão sonora; d é o diâmetro do ventilador; N é a velocidade de rotação (rpm);

a e b são os pontos da curva de desempenho do ventilador.

O nível de potência sonora de um ventilador funcionando num ponto qualquer (ponto a) pode ser calculado a partir do nível de potência sonora no ponto de eficiência máxima (ponto b) usando a Equação (5.5).

O ruído dos ventiladores é proporcional à quinta potência da velocidade da extremidade das pás, ventiladores grandes operando a baixas rotações são preferíveis aos pequenos de alta rotação.

Determinação da vazão de ar

Os motores elétricos transformam energia elétrica em energia mecânica, apesar dessa transformação ter alto nível de rendimento ocorrem perdas durante este processo. Estas perdas na sua grande maioria se apresentam na forma de geração de calor. Para poder refrigerar o motor e manter a temperatura dentro de nível aceitáveis para sua classe de isolamento é necessária uma determinada vazão de ar. Esta vazão pode ser calculada a partir da Equação (5.6). T C H Q p ∆ = . . ρ , (5.6)

onde Q a vazão de ar necessária (m3/s);

H a taxa de geração de calor ou somatório de perdas (W);

∆T diferença entre a temperatura máxima e temperatura no ambiente externo (°C); ρ a densidade do ar (em torno de 1,2 kg/m3);

Cp o calor específico do ar (em torno de 1,010 m2/s2°C).

Através da Equação (5.6), pode-se observar que as perdas totais de um motor estão diretamente relacionadas com a vazão de ar. Portanto, reduzindo-se essas perdas reduz-se a vazão de ar, que por sua vez requer um ventilador de diâmetro menor e nível de ruído menor. Existem outras recomendações importantes para a redução de ruído gerado pelos ventiladores: a. em motores unidirecionais e alta rotação (1500 a 3600 r/min), utilizar ventiladores

radiais com pás para trás ao invés de ventiladores radiais de pá reta;

b. na montagem dos ventiladores na entrada e saída para minimizar ruído devido ao aparecimento de vórtices e escoamento turbulento conforme mostrado na Figura 5.3. A área ao redor do ventilador axial é tão importante quanto sua hélice;

Figura 5.3 – Área de entrada e saída dos ventiladores axiais.

c. utilizar perfil de hélice – os perfis tipo aerodinâmicos do tipo asa são os mais recomendados para a redução do ruído (vide Figura 5.4).

5.4.4 Importância do ruído gerado pelo ventilador

Em motores de alta rotação, o ruído gerado pelo ventilador é o ruído predominante.

Gerges [8], apresentou um gráfico comparativo do espectro do nível de pressão sonora de um motor de 400 HP com e sem ventilador (ventoinha) conforme mostrado na Figura 5.5.

Figura 5.5 – Espectro do NPS de motor de 400 HP, com e sem ventoinha.